Fotogrammetrien efter den 20. ISPRS kongres

Transkript

1 Fotogrammetrien efter den 20. ISPRS kongres Joachim Höhle, Aalborg Universitet Sammenfatning Fotogrammetrien har udviklet sig meget i de sidste år og er nu fuldstændig digital fra optagelse til fremstilling af produkter som ortofotos, topografiske databaser og fotorealistiske by- og landskabsmodeller. Dette faktum blev tydeligt ved den sidste internationale kongres for fotogrammetri og telemåling, men også ved nye investeringer hos danske kortlægningsinstitutioner. Disse innovationer beskrives. Der fokuseres på kortlægningsopgaver med flybilleder, men nye sensorer og nye metoder ved terrestrisk fotogrammetri og satellitbaseret fotogrammetri og telemåling behandles også. Med det nye udstyr og nye metoder opstår muligheder for at løse eksisterende kortlægningsopgaver mere effektive og dyrke nye anvendelser. Disse skitseres i dette bidrag. Det konkluderes, at investeringer i uddannelsen er nødvendige for at klare disse nye udfordringer. Indledning I juli 2004 blev den internationale kongres for fotogrammetri og telemåling afholdt. Det sker hvert fjerde år, og denne foranstaltning kan betragtes som en slags olympiade for dette fagområde. Instrument- og systemproducenter viser deres nyeste produkter på en udstilling, videnskabelige arbejdsgrupper præsenterer i foredrag og vha. posters resultater af forskningsarbejde, og der formuleres nye opgaver for de næste fire år. Det er lejligheden til at få oversigt og indsigt i fagområdet. Men der er overvældende mængder af informationer. I ISPRS kongressens proceedings er der 1218 artikler gemt på en DVD, som rummer 1,2 GB. Efter læsning af nogle af artiklerne og noter fra kongressen vil jeg prøve at beskrive trends og udviklinger. De rummer nye systemer og metoder til billedoptagelse, georeferencering af billederne, DHM- og ortofotofremstilling, fotogrammetrisk kortlægning samt ajourføring af topografiske databaser. Det bliver især nyheder og trends i luftfotogrammetrien, men sensorer fra jorden og fra satellitter samt deres anvendelser blev også fornyet. Dem vil jeg kun strejfe. Mine vurderinger er sikkert subjektive, men i mellemtiden skete der også nogle aktiviteter hos danske firmaer og andre institutioner, hvilket jeg også vil nævne. På nuværende tidspunkt har nogle innovationer allerede forandret produktionen af geodata, og Aalborg Universitet (AAU) har forandret kursusindhold og læreplaner. Digitale flykameraer Flere nye digitale flykameraer blev præsenteret ved kongressen. Fremkaldelse og scanning af filme kan dermed undgås. Den radiometriske opløsning i digitale billeder er enormt forbedret intensitetstrin (12 bit) kan nu opnås. Det betyder, at topografiske objekter bedre kan ses, og nøjagtigheden og sikkerheden i automatiske målinger forbedres. For at realisere store formater ved flybilleder anvendes flere linser og flere matrix-sensorer (CCD er). Et billede sammensættes af fire eller flere delbilleder. Figur 1 viser teknikken ved to nye kameraer.

2 Figur 1: Datafusion ved Intergraph s DMC kamera (øverst) og UltraCam-D kamera fra Vexcel Imaging (nedunder). Ved UltraCam-D sættes et pankromatisk billede sammen af fire kameraer, som belyser på 9 CCD er med hver 4k x 2,7k pixler. DMC anvender 4 CCD er med hver 7k x 4k pixler, som hver belyses gennem en linse. Kilde: Kraus 2004 Billedformatet er 162 mm x 96 mm (Intergraph) respektive 104 mm x 68 mm (Vexel Imaging). Store formater muliggør store billedmålforhold, og det betyder bedre nøjagtigheder. En anden fordel ved digitale kameraer er, at man registrerer forskellige spektrale områder samtidigt. Det betyder, s/h billeder, farvebilleder og falskfarve billeder optages samtidigt. Et digitalt kamerasystem har op til 8 linser. Figur 2: UltraCam-D kamera. Fire pankromatiske kameraer er positioneret efter hinanden i flyveretning. Belysning sker på forskellige tidspunkter og på 9 CCD er. Billedet sammensættes i postprocessing af 9 delbilleder til et ikke-kvadratisk format. 1 Pixelstørrelsen er kun 9 μm. Farvebilleder og falskfarve billeder produceres kunstigt vha. billeder fra fire yderlige kameraer (som er positioneret på ydersiden), og som producerer billeder i spektralområder (rød, grøn, blå, nærinfrarød) i et mindre målforhold og dermed i mindre opløsning. Photo: Vexcel Imaging Farvebilleder fremstilles kunstigt. Det højopløselige pankromatiske billede suppleres med farve fra mindre opløselige farvebilleder. Det betyder, at fremstilling af farvebilleder sker ved hjælp af nogle billedbehandlingsteknikker (opretning og pan sharpening ). Billedvandring kan også kompenseres. Teknikken kaldes Time Delay Integration. Billedinformation integreres i det tidsinterval, som lukker er åben. Risikoen for støv og ridser på billederne elimineres ved den digitale billedoptagelse. Der kan forventes en højere billedkvalitet ved digitale kameraer. Efter information i (Cowi 2005) er 1 Fordi den smalle side af billedet er i flyveretningen, opstår et lille basis/højde forhold (for eksempel n= 0.27 ved længdeoverlap af p=60% og standard linse med kamerakonstant c= 100 mm). Det har en ugunstig indflydelse på højdenøjagtigheden.

3 digitale flykameraer i indsats i Danmark, og vi kan forvente, at DDO serien og andre ortofotos nu fremstilles vha. disse billeder. Ved kortlægningsopgaver opstår, pga. et ugunstigt basis/højde forhold, mindre nøjagtighed i højdebestemmelsen, når man sammenligner med et analogt kamera af 23 cm x 23 cm formatet. Georeferencering af flybilleder For at anvende flybilleder til kortlægning skal positionen af projektionscentre og hældningsvinkler af kameraets optageakse være kendt. Denne ydre orientering af flybilleder eller georeferencering bestemmes i datiden vha. paspunkter. Paspunktbestemmelserne i marken vha. landmålingsudstyr er dyre og besværlige. Reduktion af antallet af paspunkter opnås vha. aerotriangulation. Overgang til digitale flybilleder har gjort aerotriangulation mere nøjagtig og til en automatiseret proces. Grundlaget er korrelation ('matching') af punkter, som genkendes og måles i to eller flere billeder. Disse såkaldte sammenknytningspunkter bestemmes i stort antal, og blokken af billederne knyttes sammen. Få paspunkter måles i billederne manuelt, og den ydre orientering af billederne i et referencesystem beregnes vha. sofistikerede programpakker, som automatisk opdager og eliminerer målefejl. Denne fremgangsmåde har været praktiseret i nogle år og er en del af undervisningen af landinpektørstuderende på bachelor niveau (Höhle 2002). For at gennemføre aerotriangulation mere nøjagtigt og for at reducere antallet af paspunkterne har man integreret positionsgivende sensorer. Det globale positioneringssystem (GPS) blev en del af kamerasystemer og anvendes til navigation og styrelse af billedernes længdeoverlap, men også i aerotriangulation. Koordinater til projektionscentre behandles som yderligere observationer og udjævnes sammen med billedkoordinaterne. Sensorer, som med hoj frekvens bestemmer vinkler om tre akser og afstandsændringer i tre akser, kan også integreres i optagesystemer. Disse såkaldte 'Inertia Measuring Units' eller IMUs muliggør sammen med GPS en den direkte georeferencering af flybilleder. Nøjagtigheder i den ydre orientering er så gode, at man kan bestemme punkter på jorden med 20 cm nøjagtighed fra 2000 m flyvehøjde. Denne nøjagtighed er god nok til fremstilling af ortofotos uden paspunkter (Kremer 2005). Figur 3: Inertia Measuring Unit. IMUen er en lille boks, som indeholder tre gyros og tre acceleratorer. Ved hjælp af disse målinger kan vinkler om tre akser og positionsforandringer i tre akser afledes. IMU en monteres fast på kameraet. Kilde: Heipke 2002 Største nøjagtigheder opnås, når IMU data anvendes som yderligere observationer i aerotriangulationen. Denne "Integrerede Sensor Orientering" er genstand for forskningsarbejde. Resultater af et forskningsprojekt ved EuroSDR viste, at den ydre orientering frembringes med nøjagtigheder af 5 cm på jorden, når man fotograferer fra 770 m med et vidvinkelkamera og kun anvender et paspunkt (Heipke 2002). Den opnåelige nøjagtighed er egnet til stereo-fotogrammetrisk kortlægning af byer efter TK99 standarden. Dette fremskridt i den fotogrammetriske punktbestemmelse er købt med investeringer i prisklassen af Euro, men alle danske fotogrammetriske firmaer har investeret i denne teknik.

4 Figur 4: I moderne optagesystemer integreres et digitalt kamera med positions- og retningsgivende sensorer. Deres orientering til hinanden bestemmes i kalibreringsprocessen. Ved hjælp af sensor- og kalibreringsdata kan flybilleder georeferenceres; paspunkter og aerotriangulation kan dermed undgås. Den opnåelige nøjagtighed er egnet til fremstilling af ortofotos. Sensor- og dataintegration bliver dermed vigtige nye vidensområder i fotogrammetrien. Kilde: Kraus 2004 En anden løsning til georeferencering af flybilleder, men uden de store investeringer, er at anvende eksisterende ortofotos og aflede den ydre orientering af nye flybilleder vha. korrelation af korresponderende billedudsnit. Denne automatiserede metode blev undersøgt ved AAU og testet med forskellige billeder og områder. Resultater viste, at nøjagtigheden er tilstrækkelig til at fremstille ortofotos, og denne proces kan for en stor del automatiseres (Potucková 2004). Metoden er især interessant i områder, hvor ortofotos fremstilles i korte tidsintervaller, for eksempel i Danmark. DHM- og ortofotofremstilling Fremstilling af ortofotos kræver ud over orienteringsdata også digitale højdemodeller (DHM). Deres nøjagtighed har stor indflydelse på kvaliteten af ortofotos. Den fotogrammetriske fremstilling af højdemodeller sker for store områder ved hjælp af digitale stereobilledpar og korrelation. Denne automatiserede proces frembringer en overflademodel (DOM). Korrelation i områder uden kontrast og struktur kan også producere fejl. Editering af højdedata og kvalitetskontrol er derfor nødvendige. Resultatet er en digital terrænmodel (DTM), hvor alle højder er på terræn. Ortofotofremstilling er derefter bare en resampling af billedet og sker pixel for pixel ved hjælp af computere med stor regnekraft. Mosaikking af flere ortofotos er den næste opgave, som kræver en omhyggelig fastlæggelse af seamlines. Nyheder fra kongressen var nogle forbedringer i programmerne fra de forskellige producenter. Men også nytænkning skete. Objekter over jorden som huse og broer kan også kortlægges uden forskydninger i positionen. Disse true ortofotos fremstilles fra flere flyfotos og ved hjælp af præcise overflademodeller. Husets facader afbildes ikke, og usynlige områder i et billede suppleres med billedinformationer fra et andet billede (se figur 5). Figur 5: Princippet ved fremstilling af true ortofotos. Det venstre billede har ingen billedinformation bag huset og dette område fyldes med billedinformation fra det højre billede. Husets facader fjernes, og taget er kortlagt ved hjælp af den korrekte højde (DOM højde).

5 Opgaven kræver kortlægning af tagformer; ellers opstår mangler i billedkvaliteten. Fremstilling af true ortofotos inklusive bestemmelse af orienteringsdata, fremstilling af overflademodeller og ortofotos samt mosaikking kan udføres i et programmel. Denne opgave kræver stor regnekraft, som realiseres vha. flere parallelt arbejdende computere. Firmaet Inpho, Tyskland, videreudvikler dette koncept, som baserer sig på forskningsarbejde i Finland. Fotogrammetrisk kortlægning Fotogrammetriske stereoarbejdsstationer anvender nu hurtigere computere og grafikkort, som muliggør et mere bekvemt arbejde. Firmaet Intergraph, for eksempel, tilbyder deres SSK system med en ny mus, som rummer mange knapper til kortlægningsfunktioner samt hurtig bevægelse igennem stereomodellen. Der registreres direkte i en database, forskellige GIS data kan indlæses og GIS analyser kan udføres med alle disse data. Systemerne kan kortlægge fra forskellige sensorer, bl.a. digitale kameraer, scannere fra fly og satellitter. Et russisk system undgår 3D-mus eller håndhjul/fodskive til styring af et målemærke, men registrerer øjenbevægelser vha. to videokameraer. Observerede objekter bliver automatisk målt i tre dimensioner. Denne Eye-grammetry er kompatibel med de fleste stereoarbejdsstationer (Geoiconics 2004), og det kan forventes, at denne teknologi vil blive anvendt i fremtiden. Automatisering af kortlægningen er det store forskningsemne, men de første professionelle programpakker blev allerede vist. For eksempel tilbyder Inpho, Tyskland, programpakken Inject, som semi-automatisk kortlægger huse inklusive tagform i tre dimensioner. Der anvendes flere modeller af huse, som indpasses interaktivt og uden stereosyn til to overlappende flybilleder. Kortlægning vha. kombination af flyfotogrammetri med andre sensorer Nye opgaver i kortlægningen kan løses, når digitale flybilleder bruges sammen med optagelserne fra andre sensorer. For eksempel kan forandringer i bygningerne optages vha. laserscannerdata og multispektrale flybilleder, som indeholder den nærinfrarøde del af det elektromagnetiske spektrum. Et Ph.D.-projekt af Brian Olsen, KMS, bidrog med løsningerne (Olsen 2004). Nye og forsvundne bygninger opdages i en automatiseret proces, og man fremstiller et oversigtskort med ændringerne. Derefter må den nøjagtige og fuldstændige ajourføring af kortdatabaser gennemføres vha. stereofotogrammetri. I tidsalderen af outsourcing af kortlægningsarbejde har dette arbejde en særlig betydning. At modellere komplekse huse inklusive deres tagformer med henblik på at fremstille 3D bymodeller er et andet anvendelsesområde af kombinationen fotogrammetri/laserscanning i fly. Et forskningsprojekt ved den europæiske forskningsorganisation for rumlige data (EuroSDR) dokumenterede nye løsninger og gode resultater. Bl.a. var en projektgruppe på AAU s landinspektørstudium med i projektet (Frederiksen et al., 2004). Tagformen, husets højder og brudlinjer skulle kortlægges. Ved anvendelse af laserscannere og hyperspektrale scannere, som registrerer 128 spektrale bånd, kan også materiale i tagene klassificeres. Forskningsarbejde ved Universitet Karlsruhe, Tyskland, klassificerede 8 forskellige materialer ved tagene (Lemp, 2004). Nye sensorer fra jorden og deres anvendelse Nye digitale kameraer til amatørfotografering kommer næsten dagligt på markedet og anvendes af mange. Kameraer med billedformater på 24 mm x 36 mm kan erhverves til en rimelig pris. For eksempel rummer KODAK s PRO14N 14 Mega pixel ved en høj opløsning (pixelstørrelse = 8μm).

6 Det relativt store billedformat muliggør også fotogrammetriske anvendelser med gode nøjagtigheder, omkring 1/ af objektdimensionen ved kalibrering (Pedersen 2004). Væsentlig højere geometrisk og radiometrisk opløsning opnås vha. en roterende række kamera. Et eksempel er kameraet EYESCAN M3 i figur 6. Figur 6: Digitalt panoramakamera EYESAN M3 Photo: KST Dresden Tre CCD rækker af hver 72 mm længde optager grundfarverne (rød, grøn, blå) med hver 16 bit. Med sådant et kamera optages 360 o panoramabilleder i farver med op til 5.1 GB pr. billede. Når man opstiller kameraet på to eller flere standpunkter, kan objektpunkter bestemmes med stor nøjagtighed, og objektmodeller kan visualiseres med fototekstur (se også figur 7). Tests i (Schneider 2004) viste, at standardafvigelsen (σ o ) ved stråleudjævning kan være mindre end 2 μm. Ved anvendelse af 100 mm linsen og 50 m afstand fra kameraet svarer denne værdi til en sideafvigelse på 1 mm, og en pixel rummer kun 3.5 mm x 3.5 mm på objektet. Optagelsen af et panoramabillede med denne linse varer 10 minutter. Figur 7: Stråleudjævning med 3 panoramabilleder muliggør objektpunktbestemmelse. Kilde: Schneider 2004 Anvendelsen af panoramakamera er dermed fremstilling af fotorealistiske 3D modeller af torve og indre gårde samt 3D indendørsmodeller af bygninger. I disse modeller kan meget fine objektdetaljer genkendes, og veldefinerede objekter er kortlagt med stor nøjagtighed.

7 Til opmåling af 3D bymodeller skal også terrestriske laserscannere nævnes. Disse producerer 3D punktskyer sammen med intensitetsbilleder og digitale fotos. Der eksisterer mange modeller fra forskellige firmaer. Figur 8 viser Leica s nye panorama laserscanner HDS3000. Optagelserne sker horisontalt med 360 o og vertikalt med 270 o, og nøjagtigheden er angivet med 6 mm ved 50 m afstand fra objekt. Afstanden af målepunkter kan være 0.24 mm ved 50 m afstand fra objektet, men vælges større for at reducere datamængden. Intensitetsbilledet anvendes til at tolke objektet, for eksempel genfindes og opmåles specielt reflekterende målemærker ( targets ) automatisk. Software pakker transformerer punktskyerne til et reference koordinatsystem og modellerer objektet vha. flader, cylindre eller andre geometriske primitiver. Figur 8: Terrestrisk Laserscanner Leica HDS3000 Photo: Leica Generelt kan lasercanning betragtes som en del af telemåling (remote sensing), fordi det også indsamler billeder og anvender billedbehandlingsteknikker ved processering. Ved den fotogrammetriske kongres var der flere bidrag om terrestrisk laserscanning. For eksempel rapporteres i (Akca 2004) om, hvordan punktskyer kan sammenknyttes ved hjælp af korrelationsteknikker. I stedet for af farveværdier som i fotogrammetri bruges Z-værdierne af punktskyerne. Ved (Jansa 2004) anvendes digitale billeder og punktskyer til sammenknytning af scans og fremstiller true ortofotos med underlagte Z-værdier. Forudsætningen er, at laserscanneren integreres med et højopløseligt digitalt kamera. Sådan en laserscanner er realiseret af firmaet Riegl, Østrig (se figur 9). Figur 9: 3D Imaging Sensor LMS-Z360i Photo: Riegl

8 Nye satellitbaserede sensorer til kortlægning Optiske sensorer i satellitter har haft en rivende udvikling. Pixelstørrelsen på jorden eller Ground Sampling Distance (GSD) er ved kommercielle satellitter så lille som 0,6 m. Quickbird satellitten, som gik i omløb i 2001, producerer pankromatiske billeder med denne GSD, men samtidig også farve- og falskfarve billeder i mindre opløsning. Quickbird billeder anvendes til ortofotofremstilling sammen med eksisterende højdemodeller. I et afgangsprojekt ved AAU blev ortofotos for flade områder på Samsø fremstillet. Billedkvaliteten matchede DDO land fra 1999, som har 0,5 m pixelstørrelse, og den geometriske nøjagtighed var 1,0 m ved anvendelsen af 5 paspunkter (Miller 2004). Ortofotos, som er fremstillet fra Quickbird billeder, anvendes i stort omfang til kontrol af angivelserne fra europæiske landmænd. Mange nye satellitbaserede sensorer til kortlægningsformål er på vej. Det kræver stereobilledpar med bedre basis/højde forhold for at kortlægge terrænmodeller, dvs. højden. Kortlægning af DTMs fra højopløselige satellitbilleder kan udføres med 3 m nøjagtighed. Højder frembringes også fra radarsystemer, såkaldte InSAR systemer, som kan anvendes under alle vejrforhold. InSAR installeres i rumfærger eller realiseres som tandem satellitter. Tests viste nøjagtigheder på 5 m for flade og åbne områder respektive 18 m for hele kloden (Konecny 2004). Der udvikles små satellitter, som vil omløbe jorden i mindre afstand fra jorden og dermed vil muliggøre små GSD værdier, billigere data og en bedre tilgang til data. Kortlægning fra rummet vha. digitale kameraer og scannere vil udbrede sig. Anvendelse af disse nye værktøjer vil ske til fordel for de mange områder i verden, som ikke har nogen eller kun for gamle kort eller kortdatabaser. Billeddata fås hurtigere, og nye anvendelser vil opstå med denne on-line fotogrammetri, for eksempel i forbindelse med naturkatastrofer. Konklusion Optagelsen af flyfotos uden film kommer nu til Danmark. Samtidig med højopløselige pankromatiske billeder optages farve og falskfarve billeder. Dvs. fotogrammetri og telemåling vokser sammen. Den integrerede benyttelse af forskellige data frembringer nye anvendelser og forbedringer i det nuværende kortlægningsarbejde. På nuværende tidspunkt har nogle innovationer allerede forandret produktionen af geodata. Læreanstalter som AAU har forandret kursusindholdet og udstyr. Yderlige investeringer mht. personale og udstyr ved AAU og andre danske læreanstalter er nødvendige for at uddanne og videreuddanne personalet i kortlægningsinstitutioner samt for at styrke forskningen på disse områder. Danmarks fotogrammetriske firmaer og andre kortlægningsinstitutioner må også i fremtiden være i stand til at producere geodata effektivt i Danmark og at konkurrere i kortlægningsopgaver på det internationale marked. Referencer Akca, D., A new algorithm for 3D surface matching, proceedings, 20. ISPRS kongres, 2004 Cowi, nyhedsbrev 1/2005 Det teknisk-naturvidenskabelige fakultet ved AAU, studieordning for landinspektøruddannelsen, semester, 2004 Frederiksen, L. et al., Automatiseret 3D-Bygningsmodellering, AAU, landinspektørstudiet 2004, 9. semester projektarbejde, 2004 Geoiconics, Photogrammetric eye-tracking and measurement system,

9 Heipke, C. et al., Integrated sensor orientation, EuroSDR official publication nr. 43, 2002 Höhle, J., Fotogrammetrien er digital ved AAU, Geoforum.dk, april 2002 Jansa, J. et al., Terrestrial laserscanning and photogrammetry aquisition techniques completing one another, proceedings, 20. ISPRS kongres, 2004 Konecny, G., Mapping from Space, Festschrift zum 60. Geburtstag von Armin Grün, ETH Zürich, 2004 Kraus, K., Photogrammetrie, bind 1, Walter de Gruyter, 7. udgave, ISBN , 2004 Olsen, B.P., Maintenance of digital topographical map databases, Ph.D.- thesis ved DTU, Lyngby 122 s., 2004 Kremer, J., Direct georeferencing of aerial images and other airborne sensor data, gæsteforelæsning ved AAU, februar 2005 Lemp, D. et al., Use of hyperspectral and laserscanning data for the characterization of surfaces in urban areas, proceedings, 20. ISPRS kongres, 2004 Miller, N., Kortlægning baseret på satellitbilleder en undersøgelse af de højopløselige satellitter, afgangsprojekt ved AAU s landinspektøruddannelse, 153 s., 2004 Pedersen, L. et al., Mobile kortlægningssystemer - en håndholdt prototype, 8.semester's projekt, AAU, 2004 Potuckova, M., Image matching and its application in photogrammetry, PhD project, 2004 Schneider, D. et al., Development and application of an extended geometric model for high resolution panoramic cameras, proceedings, 20. ISPRS kongres, 2004